1.1非球麵光學零件的作用
非球麵光學零件是一種非常重要的光（guāng）學零件，常用的有拋物麵（miàn）鏡、雙曲麵鏡、橢球麵鏡等。非球麵光學零件可以獲得球麵光學零件無可比擬的良好的成像質量，在光學係統中能夠很好的矯正多種（zhǒng）像差，改（gǎi）善成像質量，提高（gāo）係統鑒別能（néng）力，它能以一個或（huò）幾個（gè）非球麵零件代替多個球麵零件，從而簡化儀器結構，降（jiàng）低成本並有效的減輕儀（yí）器重量。
非球麵光學零件在軍（jun1）用和民用光電產品上的應用也很廣泛，如在攝影鏡頭和取景器、電視攝像管、變焦鏡頭、電影放影鏡頭、衛星紅外望遠鏡、錄像機（jī）鏡頭、錄像（xiàng）和錄音光盤讀出頭、條形碼（mǎ）讀出頭、光纖通信的光纖接頭、醫療儀器等（děng）中。
1.2國外非球（qiú）麵零件的超精（jīng）密加工技術的現狀
80年代以來，出現了許多種新的非球麵超精密加工技術，主要有：計算機數控單點金剛石車削技術（shù）、計算機數控磨（mó）削技術、計算機數控（kòng）離子束成形技術、計算機數控超精（jīng）密（mì）拋光技術和非球麵複印技術等，這些（xiē）加工方法，基本上（shàng）解決了各種非球麵鏡（jìng）加工中所存在的（de）問題。前四種方法運用了數控技術，均具有加工精度（dù）較高，效率高（gāo）等特點，適於批量生產。
進行非球（qiú）麵零件（jiàn）加工時（shí），要考（kǎo）慮所加工零件的材料、形狀、精度和口徑（jìng）等因素（sù），對於銅、鋁等軟質材料，可以用單點金剛石（shí）切削(SPDT)的方法進行超精加工，對於玻璃或塑料等，當前主要（yào）采用先超精（jīng）密（mì）加工（gōng）其模具，而後再用成形法生產非球麵零件，對於（yú）其它一（yī）些高硬度的脆性材料（liào），目前主要是（shì）通過超精密磨削和超精密研磨、拋光等方（fāng）法進行加工的，另外.還有非球麵零件的特種加工（gōng）技術如離子（zǐ）束拋光等。
國外許多公司己將（jiāng）超精密（mì）車（chē）削、磨削、研磨以及拋光加工集成為一體，並且研製出超精密複合加工（gōng）係統，如Rank Pneumo公司生產的Nanoform300、Nanoform250、CUPE研製的Nanocentre、日本的AHN60―3D、ULP一100A(H)都具有複合加工（gōng）功能，這樣可以便非球麵零件的加工更加靈活。
1.3我國（guó）非球麵零件超精密加工技術的現（xiàn）狀
我國從80年代初才開始超精密（mì）加工技術的研究，比國外（wài）整整落後了20年。近年來，該（gāi）項工作（zuò）開展較（jiào）好的（de）單位有北京機床研究所、中國（guó）航空精密機械（xiè）研究所（suǒ）、哈爾濱工業大學、中（zhōng）科院長春光機所應用光學重點實驗（yàn）室等。
為更好的開展對此項超精密加工技術（shù）的研究，國防科工（gōng）委於1995年在中國航空精密機械研究所首先建立了國內******個從事超精密加工技術研究的重點實驗（yàn）室。
2.非球麵零件超精密切削加工（gōng）技術
美國Union Carbide公司於1972年（nián）研製成功了R―θ方（fāng）式的非球麵創成加工機床。這是一台具（jù）有位置反饋的雙坐（zuò）標數控車床，可實時改變刀座導軌的轉角θ和（hé）半徑R，實現非球麵的鏡麵加工。加工直徑達φ380mm，加工工件的形狀精度為±O.63μm，表麵粗糙度為Ra0.025μm。
摩爾公司於1980年首先開發出（chū）了用3個坐（zuò）標控製的M―18AG非（fēi）球麵（miàn）加工機床，這種機床可加工直徑356mm的各種非球麵的金屬反射鏡。
英國Rank Pneumo公司於1980年向市場推出了利用激光反饋控製的兩（liǎng）軸聯動加工機床(MSG―325)，該機床可加工直徑為350mm的非球麵金屬反射鏡，加工工件形狀精度達0.25-0.5μm，表麵粗糙度Ra在0.01-O.025μm之間。隨後又推出了ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等機（jī）床，該公司又在上述機（jī）床的基礎上，於1990年開發出Nanoform600，該機床能（néng）加工直徑為600mm的非（fēi）球麵（miàn）反射鏡，加（jiā）工工件的形狀精度優於0.1μm，表麵粗（cū）糙度（dù）優（yōu）於0.01μm。
代表當今員高水（shuǐ）平（píng）的超精密金剛石車床是美國（guó）勞倫斯.利弗莫爾(LLNL)實（shí）驗室於1984年研製成功的LODTM，它可加工直徑達2100mm，重達4500kg的工件其加工精度可達0.25μm，表麵粗糙度RaO.0076μm，該機（jī）床可加工平麵、球麵及非球麵，主（zhǔ）要用於加工激光核聚變工程（chéng）所需的零件、紅外（wài）線裝置用的（de）零件和大型天體反射鏡等（děng）。
英國Cranfield大學精（jīng）密工程研究所(CUPE)研製的大型超精密金剛右鏡麵切削機床，可以加工大型X射線天體望遠鏡用的非（fēi）球（qiú）麵（miàn）反射鏡(***大直徑可達1400mm，***大長度為600mm的圓錐鏡（jìng）)。該研究所還研製（zhì）成功了可以加工用於X射線望遠鏡（jìng）內側（cè）回轉拋物麵和外側（cè）回轉雙曲麵反射鏡的金（jīn）剛石切削（xuē）機床。
日本開發（fā）的超精密加工機床主要是用於加工（gōng）民用（yòng）產品所需的透鏡和反射鏡（jìng），目前日本（běn）製造的加工機床有：東芝機械研製的ULG―l00A(H)不二越公司的ASP―L15、豐田工機的AHN10、AHN30×25、AHN60―3D非（fēi）球麵加工機床等。
3.非球麵零件超精密磨削（xuē）加工技（jì）術（shù）
3.1非球麵零件超精磨削裝置
英國Rank Pneumo公司1988年開發（fā）了改進型的（de）ASG2500、ASG2500T、Nanoform300機床，這些機床不僅能夠進（jìn）切削加工，而且也可以用金剛石砂輪進行磨削，能（néng）加工直徑為300mm的非（fēi）球麵金屬反射鏡，加工（gōng）工件的形狀精度為0.3-O.16μm，表麵粗糙度達Ra0.01μm。***近又推出Nanoform250超精密加工係統，該係統是一（yī）個（gè）兩軸超精密CNC機床，在該機床上既能進行超精密車削又能進行超揚密磨削.還能進行超精密拋光（guāng）。***突出（chū）的特點是可以直接磨削出能達到光學（xué）係統要求的具有光學（xué）表麵質量（liàng）和麵（miàn）型精度的（de）硬脆（cuì）材料（liào）光學零件。該機床采用了許（xǔ）多******的Nanoform600、Optoform50設計思想，機床***大加工工件直徑達（dá）250mm，它通過（guò）一個升高裝置使機床的***大加工（gōng）工件直（zhí）徑達到（dào）450mm，另外（wài）通過控製垂直方向的液（yè）體靜壓導軌(Y軸)還能磨削非軸對稱（chēng）零件，機床數控係統的分辨率達O.001μm，位置反饋元（yuán）件采用了分辨率為8.6nm的光柵或分辨率為1.25nm的激光幹涉儀，加工工（gōng）件的麵型精度達0.25μm，表麵粗糙度優於Ra0.01μm。
Nanocentre250、Nanocentre600是一種三軸超精密CNC非球麵範成裝置，它可以滿（mǎn）足單點和延性磨削兩個方麵的使用要求，通過合（hé）理化機床結構設計、利用高剛度伺服驅動係統和液體靜壓軸承使機床具有較高的閉（bì）環剛度，x和Z軸（zhóu）的分辨率為1.25nm，這個機床被認為是符合現代工藝規範的。CUPE生產的Nanocentre非球麵光學零件加工機床，加工直徑達600mm.麵型精度優於0.1μm，表麵粗糙度優於Ra0.01μm。CUPE還為美國（guó）柯達公司研究、設計和生產（chǎn）了當今世界上***大的超精密大型CNC光學零件磨（mó）床0AGM2500，該機床主要用於光學玻（bō）璃等硬脆材料（liào）的（de）加工，可加工和測量2.5m×2.5m×O.61m的工（gōng）件，它能加工出2m見方的非對稱光（guāng）學鏡麵，鏡麵的形狀誤差僅為1μm。
日本豐田工機研製的AHN60―3D是一台CNC三維截形磨削和車削機床，它能在X、Y和Z三軸控製下磨削和車削軸向對稱形狀的光學零件，可以在X、Y和Z軸二個半軸控製下磨削和車削非軸（zhóu）對稱光學零件，加工工件的截形精度為（wéi）0.35unl，表麵粗糙度達（dá）Ra0.016μm。另外東芝機械研製的ULG―100A(H)超精（jīng）密複合加工裝（zhuāng）置，它用分別控製兩個軸的方法，實現了對非球麵透鏡模具的切削（xuē）和磨削（xuē），其X軸和Z軸的行程分別為150mm和100mm，位置反饋元件是（shì）分辨率為0.01μm的光柵。
3.2非（fēi）球麵光學零件（jiàn）的ELID鏡麵（miàn）磨（mó）削技術
日本學（xué）者大森整（zhěng）等人從1987年對（duì）超硬磨料砂輪進行了研究，開發了使（shǐ）用電解In Process Dressing(ELID)的磨削（xuē）法，實現了對硬脆材（cái）料高（gāo）品位鏡麵磨削和延（yán）性方式的磨削，現在該方法己成功的應用於球（qiú）麵、非（fēi）球麵透鏡、模具的超精密加工。
①ELID鏡麵磨削原理
ELID磨（mó）削係統包括：金屬結合劑超微細粒度超硬（yìng）磨料砂輪、電解修整電源、電解修整電（diàn）極、電解液(兼作磨削液)、接電電刷和機床設備。磨削過程中，砂輪通（tōng）過接電電刷與電源的正極相接，安裝在機床上的修整電極（jí）與電（diàn）源的負極相接，砂輪和（hé）電極之間（jiān）澆（jiāo）注電解液，這樣，電源、砂輪、電極、砂輪和電極之間的電解（jiě）液形成（chéng）一（yī）個完整的電化學係統。
采用ELID磨削時（shí），對所用的砂輪、電源、電解液均有一些特殊要求。要求砂輪的結合劑有良好的導電性和電解性（xìng）、結合劑元素的氫氧（yǎng）化物或氧化物不導電，且不溶於水，ELID磨削使用的電源，可以采用電解（jiě）加工（gōng）的直流電源或（huò）采用各種波形（xíng）的脈衝（chōng）電源（yuán）或（huò）直流基量脈（mò）衝電源。在ELID磨削過程中，電解液除作為磨削液外，還（hái）起著降低磨削區溫度和（hé）減少摩撩的作用，ELID磨削一（yī）般采（cǎi）用水溶（róng）性磨削液，全屬基（jī）結合劑砂輪的機械強度（dù）高，通過設定合適的電解量，砂（shā）輪（lún）磨損小。同（tóng）時（shí）能得到高的形狀精度。應用這個原理，能實現從平（píng）麵到非球麵，各種形狀的光學元件（jiàn）的超精（jīng）密鏡麵磨削。
②ELID鏡麵磨削（xuē）實驗係（xì）統
在（zài）Rank Pneumo公司的ASG―2500T機床上，裝上由砂輪、電（diàn）源、電極、磨（mó）削液等組成大森整ELID係統毛坯粗成形加工時使用400、半精加（jiā）工時使用1000或2000、作鏡麵磨削時使用4000(平均粒徑約（yuē）為4μm)或8000(平均粒徑約為2μm)的鑄鐵結合劑金剛石（shí）砂輪，電解修銳電源(ELID電源（yuán）)，使用的是直流高頻脈衝電壓式專用電源，工作電壓為60V，電流為lOA。所用的磨削液（yè），使用時要求用純水將水溶性磨削液AFH―M和CEM稀釋50倍。
③ELID鏡麵磨（mó）削實驗方法和實驗結果
作非球麵（miàn）加工時（shí），通過安裝在工件（jiàn）軸上的碗形（xíng）砂輪(325鑄鐵結合劑金剛石（shí）砂輪為φ30×W2mm)進行平砂輪（lún）的隻成形體整，作10min的電解初期修銳之後，經過400的粗磨和1000的半精（jīng）加（jiā）工，***後再用4000進（jìn）行ELID鏡麵磨（mó）削，在超精密非（fēi）球麵加工機床上，借助ELID磨削技術，成（chéng）功地加工出了光學玻璃BK―7非（fēi）球麵透鏡。麵型精度達到優（yōu）於o.2μm，表麵粗糙度達Ra20nm，而對於稍軟如LASFN30和Ge等材料（liào）的非（fēi）球麵加工，同樣能達到麵型精度優於O.2-O.3μm，表麵粗（cū）糙度達Ra30nm。
4.非球麵零件的（de）超（chāo）精密拋光(研磨)技術
超精（jīng）密拋光是加工速度極慢的一（yī）種加工方法。不適合形（xíng）狀範成法加（jiā）工，近（jìn）年來，由於短波長光學元件、OA儀器和AV機器等的飛速（sù）發展，對零件的表麵（miàn）粗糙度提出（chū）了更高的（de）要（yào）求，到目前為止還沒有比超精密拋光更好的實用的方法，尤其當零件的表麵粗糙度要求優於0.0lμm時，這種方法是不可缺少的（de），對形狀精度（dù）要求很高的工件，如果采（cǎi）用（yòng）強製進給（gěi）的方法進行切削或進行磨削時，其形狀（zhuàng）精度將直（zhí）接受到機床進給定位精度的影響，達到（dào）所在反應，並（bìng）由此引起的加工作用（yòng），在工件表麵上存在同樣微小凹的部分，在一般情況（kuàng）下，隻能獲（huò）得波紋起伏（fú）較大的表（biǎo）麵。
日本大阪（bǎn）大學工學部森勇芷（zhǐ）教授等人利用EEM開發了一種三軸(x、z、C)數控光學表麵範成裝置，利用該裝置加工時，一邊在工件表麵上控製聚胺（àn）脂球的滯留時間，一邊用聚胺脂球掃描（miáo）加工對象的物全（quán）領域，利用該裝置（zhì）能加（jiā）工高精度的任（rèn）意曲麵。
5.非球麵零件等離子（zǐ）體的CVM(Chemical Vaporization Machining)技術
目前廣泛采用的切削（xuē）、研磨、拋光等機（jī）械加工方法，由於（yú）加（jiā）工材料中存在微細裂紋或結晶中的品格缺陷等原因，無論怎（zěn）樣（yàng）提高加工精度，改進加工裝置，總存在一定的局限性，為（wéi）此，日（rì）本大阪大學（xué）工學（xué）部森勇正教授提出了一種用（yòng）化學（xué）氣體加工的新的加工工藝方（fāng）法，稱為等離子CVM法，這是一種（zhǒng）利用原子化學反應（yīng），獲得超精（jīng）密表麵的（de）一種技術，其加工原理和等離子體刻蝕一樣，在等離子體中，被激（jī）活的遊離基和工件表麵原於起反應，將之變（biàn）成揮發性分子，並通（tōng）過（guò）氣體蒸發實現加工的，在（zài）高壓力下所產生的等離子體，能夠生成密度非常高的（de）遊（yóu）離基（jī），所以這種加工方法能達到與（yǔ）機械加（jiā）工方法相匹敵的加工速度。在高壓力下，由於氣體分子的平均（jun1）自由行程（chéng）極小，等離子體局限在電極附近。所以（yǐ）可以通過電極掃描，加工出O.01μm精度的任意形狀（zhuàng）的零件，另外可以以（yǐ）50μm／min的（de）速度加工單（dān）晶矽平麵，加工工件的表麵粗（cū）糙度可達0.1nm(Rrms)。
下個世紀，在矽芯片加工和半導體曝光裝（zhuāng）置用的非（fēi）球麵透鏡加工等很多領域中，將應用CVM技術，當前有人正在研究通過CVM和（hé）EEM的組合，加工同步加速器用的X射線反射鏡等原子級平坦的任意（yì）曲麵。
6.非球麵零件複製技術
用控（kòng）製除去厚度的拋光（guāng）(研（yán）磨)方法能夠製造出高（gāo）精度的非球麵零件，但和一般的光學零件（jiàn）加工方法相比，這種方法的（de）加工效率很低（dī），解決這個（gè）問題的方法之一有複製技術，即塑料注射成形和玻璃的（de）模壓成形技術，這（zhè）種（zhǒng）技術能夠製造一部分非（fēi）球麵透鏡。塑料透鏡注（zhù）射成形是將（jiāng）熔化的樹（shù）脂注入模具內，一邊施加壓力，一邊冷卻固化的加工方法，這種方法能夠進行廉價、大批量生產，但存在塑料自身的某些問題，如溫度變化、吸濕導致透鏡（jìng）折射率的（de）變化。
玻璃的模壓成形是代（dài）替切削、磨削、研（yán）磨加工透鏡、棱鏡的***佳的小型零件大批量生產方法。模壓成形技術是將模具內的溫（wēn）度控製在衝壓的玻璃轉移溫度以上p軟化溫度以下，在模具內，進入有流動性的玻璃，加壓成形，並且保持這種狀（zhuàng）態20s以上，直到成形了的玻璃溫度分布均勻化，將模具的形狀精度作（zuò）到0.1μm，表麵粗（cū）糙度作到0.01μm以下，在上述條件（jiàn）下加壓成形，能加工出和模具精度相近的零件。
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